2021年春季沙尘传输对徐州地区气溶胶演变影响分析

蔡振锋,李丁,黄海虹

(1 临沂市兰山区自然资源局, 山东 临沂 276000;2 中国矿业大学环境与测绘学院, 江苏 徐州 221116;3 山东智绘地信工程技术有限公司, 山东 济南 250000 )

0 引 言

沙尘天气是强风将干旱、半干旱地表大量尘沙扬起,使空气变混浊、水平能见度降低的一种天气现象,沙尘颗粒可长时间在空气中悬浮、传输甚至随洋流进入全球大气循环中[1,2]。我国沙尘主要来源于西北省份、内蒙古和境外的蒙古等地,多发于春秋季节[3]。强沙尘天气给人们的生产生活带来极大的不便,并影响人们身体健康[4,5]。在沙尘源附近,沙尘可以被扬起到10 km 的高空层[6,7]。在无降水情况下,沙尘随气流向下游地区长距离传输,不同粒径大小的沙尘随重力沉降流失速率不同,再加上风向的变化,造成沿途的沙尘污染强度也有差异。监测和统计沙尘传输过程对理解沙尘时空演变过程和防治工作具有重要意义。

卫星和地基遥感观测数据为沙尘分析提供了有效途径。其中,静止卫星如Himawari-8 高达10 min 每次的观测频率为大范围的沙尘传输过程提供了实时监测数据,然而受限于天气条件和算法原理,覆盖度难以保证[5,8]。地基采样不受天气条件限制,可以24 h 持续运行,PM2.5和PM10等颗粒物监测数据成为空气质量评定的重要依据。根据我国《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)要求,PM10和PM2.5的二级浓度限值分别为150µg·m−3和75µg·m−3。此外,PM10与PM2.5比例可以用于判定沙尘类型,如PM2.5与PM10的比值小于0.4,说明是沙尘影响,大于0.8 是人为源细颗粒物污染[9−11]。基于PM 具体成分分析结果表明沙尘消散后一定程度上会改善当地大气污染水平[12,13]。此外,主动式地基激光雷达可以更精细地探测沙尘过境节点、扬起高度以及混合程度,是较为理想的探测手段,然而激光雷达造价较为昂贵,目前国内布网较少。

中国东部地区历来易受沙尘气溶胶影响,相关研究较多[14−16],主要包括以卫星产品为基础的大范围演变特征研究和以重点城市地区如北京等为研究热点的单个、多个城市的地基观测数据对比分析。2021 年3月,连续两次同源沙尘从蒙古一路南下,甚至到达江苏、浙江等地,是近10 年来较为罕见的,具有显著的代表性,能够很好地进行污染程度、传输路径和粒子组成等对比分析。

因此,本文首先利用再分析资料和卫星观测数据对这两次沙尘的天气形势和时空分布进行概括。在此基础上,选择北京和徐州地区利用地基数据进行对比分析。北京市作为沙尘必经城市,具有典型意义。徐州市地处苏鲁豫皖接壤地区,是南北分界线的标志城市,该地区距离蒙古等沙尘源1000 km,是沙尘传输的“尾部”地带,虽不会出现北方地区遮天蔽日的沙尘暴天气,但天空仍呈现肉眼可见的黄灰色。利用PM 站点数据和主被动地基遥感数据对两地受沙尘影响的前中后不同时期的大气特征进行综合分析,为南北分界地区沙尘影响研究提供有效途径。

1 数据和方法

数据根据来源可分为卫星遥感数据、模式再分析资料和地基观测数据(表1)。日本气象厅发射的静止卫星Himawari/AHI 提供Level-3 逐小时气溶胶光学厚度(AOD)产品(http://www.eorc.jaxa.jp/ptree/index.html),该产品经过了相应的验证,其精度可满足大范围内气溶胶浓度的变化情况分析[17]。中尺度天气预报中心再分析资料提供了较为准确的多尺度地球表面气候ERA5 数据集[18],本研究下载了覆盖研究区0.25◦分辨率的逐小时天气位势高度、温度、湿度和风速等数据(https://cds.climate.copernicus.eu/)。

HYSPLIT 后向轨迹模式广泛应用于国内外气流溯源分析中[19−21],本研究对徐州市两次沙尘主峰运动轨迹进行模拟,以观测站点(34.22◦N,117.14◦E)为起点,模拟500、1000、1500 m 高度层上气团48 h 的后向轨迹,效果图可以从后向轨迹模拟在线网站(https://www.arl.noaa.gov/hysplit/getrun-hysplit/)上获得。PM2.5和PM10数据由全国城市空气质量实时发布平台(http://106.37.208.233:20035/)提供,其中北京市区共6 个站点,徐州5 个站点。对不同城市的各站点数据进行绘制,从而展示总体一致性和局部波动性。

位于徐州市区中国矿业大学南湖校区环境与测绘学院楼顶(34.217◦N,117.142◦E)的大气遥感观测站提供了主被动遥感数据: 1)基于CE318 的被动式观测数据, 其原理是利用太阳光谱经过大气层到达地面仪器时损失的能量比例反演整层大气中AOD 和SSA 等气溶胶关键光学参数,本研究使用了波长在340、380、440、500、675、870 nm 的6 个波段的有效数据。为了便于对比, 也在AERONET 气溶胶监测网站(https://aeronet.gsfc.nasa.gov)下载了对应的北京站点数据。2)基于MPL5000-Lidar 的主动式观测数据,利用发射器向天空发射532 nm 波长激光,通过接收器接收来自不同高度层气溶胶粒子和云的反射信号获取气溶胶粒子类型、退偏比和消光系数等垂直廓线信息。其中退偏比表征气溶胶粒子的不规则程度,退偏比越大,则粒子越不规则,可以用于区分颗粒物类型。通常情况下,人为源气溶胶退偏比在0.1 以下,沙尘气溶胶可达0.2 以上,剧烈沙尘暴时甚至能达到0.4[22]。整层大气垂直方向上的消光系数(单位: km−1)分布是边界层划定的重要参数,与距离的积分和AOD 等同,在沙尘传输情况下,近地面消光系数高值区(通常在0.2∼0.3)将显著上扬。为消除背景噪声的影响,只有当同偏振和正交偏振信噪比(SNR)均大于5 时的激光雷达数据才用于制图分析。上述两种仪器是国内外最常用的主被动地基遥感设备,其产品通常用于卫星先验数据集生产和产品精度验证[23−25]。由于数据源多样且尺度不同,首先将数据统一为北京时间,然后按照时间序列进行制图。

2 天气形势与沙尘时空分布

2.1 天气形势

蒙古气旋一年四季皆可生成,将大量沙尘带到华中和华东平原[26]。2021 年入春以来,我国沙尘暴日数和强度为近9 年之最,其中3 月15–17 日和3 月28–29 日两次大规模沙尘均源自蒙古国(中央气象台4 月18日新闻发布)。

利用ERA5 再分析资料,图1(c)展示了第一次沙尘的形成与消退过程。3 月15 日在蒙古东部和内蒙古交界处(118◦E∼122◦E,49◦N∼51◦N)上空出现一个高空冷气旋,同时在近地面气旋的西部(100◦E∼105◦E,48◦N∼50◦N)伴随一个高压系统。西部反气旋和东部气旋的共同作用以及地表的辐合上升作用使得源地的沙尘粒子伴随着上升气流进入高空,并在冷空气的作用下迅速东移南下,影响到下游中国东北方的大部分城市,高空风速大于20 m·s−1。3 月16 日随着高空槽途经江苏省东移入海,北方气流影响逐渐减弱,徐州地区近地面层风速减小到不足5 m·s−1,污染物不易扩散,造成了污染物的累积,此后风速缓慢增大,污染因素逐渐由沙尘主导过渡到本地污染物粒子主导。相比于第一次沙尘过境,3 月28 日蒙古南部高空生成新一轮气旋,将沙尘粒子从北部上空南移至徐州地区图1(d)。从3 月29 日起,该地区受到西南气流的影响,造成沙尘粒子向北回流形成污染物的二次扩散,造成了持续性污染。此外,西南气流属于暖湿气流,因此与偏冷的西北气流相遇可能会造成部分地区出现多云和降雨现象。基于再分析资料的分析与后向轨迹分析图1(a)、(b)一致,相互佐证。

2.2 卫星观测数据

静止卫星可以实现大范围、高时间频率的监测。图2 展现了两次沙尘事件下中国东部逐小时Himawari-8/AHI AOD 分布情况。3 月6 日上午09:00,徐州等地已被高值气溶胶覆盖,山东大部分地区受影响较小。随后在西北风向作用下,气溶胶受到气旋(空洞边缘)驱动向着东南方向移动,逐渐影响到河北、安徽和山东等地。下午13:00 到16:00,大量沙尘途径江苏中部东移入海,在近海面蔓延形成了“条带”现象。3月28 日中国东部受第二次沙尘影响,沙尘途经辽宁、河北、北京,并经过渤海向南方下游城市侵袭,影响到包括徐州在内的部分江苏省城市。卫星观测数据虽然有效地佐证了本文的天气形势分析,然而受云和算法限制条件影响,空间分布连续性较差,还需要利用地基观测进一步分析研究。

图2 2021 年3 月16 日(a)和28 日(b)AHI 500 nm AOD 小时变化趋势Fig.2 Hourly variation of AHI AOD at 500 nm on March 16(a)and March 28(b),2021

3 地基观测结果

3.1 上下游城市地区对比

由上文分析可知,两次沙尘过境均影响到中国东部大部分城市,基于北京和徐州两地共有的气溶胶观测网站点和国控PM 地基站点观测资料按时间序列进行对比分析,结果如图3(a)-(j)所示。图3(a)、(b)表明两地气溶胶浓度变化趋势相似,背景AOD 在0.3 左右,随沙尘传输可以达到1.5 以上,且AOD 趋势与图3(e)、(f)中的PM10趋势高度吻合。而两地的SSA 差异较大[图3(c)、(d)],北京地区背景SSA 平均值为0.91,远小于徐州地区均值0.99,表明北京地区以吸收性气溶胶为主,徐州地区由散射型气溶胶主导。在无沙尘时,徐州地区各波段(440、675、870 nm)SSA 较为接近且趋势相似,而北京地区各波段SSA 变化幅度较大。这表明徐州地区背景气溶胶类型较为单一,主要受本地排放影响;而北京地区受地形、周围工业城市传输和本地交通排放的复合影响,气溶胶类型变化较快。此外,在沙尘过境时段的几次观测中,北京各波段SSA 趋于较大值,表明此时沙尘主导本地气溶胶,环境中较多的大颗粒物使得气溶胶光学吸收与散射比发生显著变化;而徐州地区气溶胶从背景气溶胶过渡到沙尘混合气溶胶的过程中,主导颗粒物的光学吸收与散射比变化较为一致,这表明在徐州地区SSA 难以单独用于沙尘性气溶胶的识别研究。

图3 徐州与北京地区多参数时间序列对比图。(a)徐州地区AOD;(b)北京地区AOD;(c)徐州地区SSA;(d)北京地区SSA;(e)徐州地区PM10;(f)北京地区PM10;(g)徐州地区PM2.5;(h)北京地区PM2.5;(i)徐州地区PM2.5 与PM10 比值;(j)北京地区PM2.5 与PM10 比值;(k)沙尘传输路径上雁栖湖(北京)、焦作和徐州地区的SSAFig.3 Time-series comparison of multi parameters between Xuzhou and Beijing. AOD in Xuzhou(a)and in Beijing(b);SSA in Xuzhou(c)and in Beijing(d);PM10 in Xuzhou(e)and in Beijing(f);PM2.5 in Xuzhou(g)and in Beijing(h);ratio of PM2.5 and PM10 in Xuzhou(i)and in Beijing(j);SSA in Yanqihu(Beijing),Jiaozuo and Xuzhou on the dust transport path(k)

从图3(e)、(f)中PM10数值变化(不同颜色代表不同站点,下同)可以发现: 两次沙尘的峰值到达徐州的时间均比北京晚20 h 左右,且第一次沙尘过境时北京PM10最高值超过2500µg·m−3(徐州约为1500µg·m−3);第二次沙尘时北京最高值约2000µg·m−3(徐州约为1000µg·m−3),表明沙尘在南下过程中不断地发生沉降,大颗粒物难以持续传输。在其他时段,两个城市PM10浓度均低于100µg·m−3,而两个城市的PM2.5监测数据趋势较为接近,数值在50∼80µg·m−3左右[图3(g)、(h)],表明两地背景气溶胶均以细颗粒物为主。在沙尘过境时,两地PM2.5显著升高至平时的3 倍(PM10变化幅度可达20 倍)。相比于徐州地区,北京地区的背景PM2.5在多个站点波动幅度较大,表明北京地区气溶胶变化较为复杂,具有一定的空间差异性,与图3(c)、(d)中SSA 的情况相互佐证。黄色条带覆盖时间为两次沙尘过境的时段,可以显著看到两地PM2.5与PM10的比值从高于0.8 迅速降到0.2 左右,之后2∼3 天时间内随着沙尘气溶胶缓慢沉降,比值回升到0.8,表明随着沙尘沉降完成,以人为源细颗粒气溶胶为主的本地气溶胶类型占主导地位,整个过程持续5 天左右,与其他研究结果一致[27]。

此外,图3(k)展示了北京雁栖湖、焦作和徐州地区(沙尘传输路径上按纬度从高到低排列的3 个有数据的SONET 站点)440 nm 波段SSA 的数据分布情况。可以发现,中国东部三个不同纬度地区在沙尘气溶胶主导时,SSA 与沙尘源路径远近有关,北京<焦作<徐州。然而受限于数据量,仍需更多的分析。

3.2 基于下游城市的地基观测

沙尘气溶胶在传输过程中随重力作用不断与本地近地面层气溶胶混合,越大的颗粒物沉降越早。在本地背景气溶胶已知的情况下, 可以通过不同地区的地基观测来推测沙尘中各种粒径颗粒物的性质。然而由图2 可知北京地区背景气溶胶性质较为复杂, 且由于地基遥感观测条件限制,在沙尘发生时, 北京地区CE318 未获得有效反演数据,无法具体判断沙尘颗粒物的影响。因此重点关注下游城市徐州地区沙尘过境的前中后三个时期本地气溶胶受气象因素和沙尘的影响模式。

图4 展示了3 月26–31 日第二次沙尘过境时徐州地区气溶胶消光系数、退偏比、AOD、SSA、PM10和PM2.5数据随时间序列的演变过程(相比于第一次沙尘过境,第二次沙尘发生回流现象,更为复杂)。从图4(e)、(f)可知,3 月29 日以前,徐州市区各监测站点PM10均低于100µg·m−3,维持稳定低值;而PM2.5平均值高于75µg·m−3,各站点实测数值呈现昼夜周期性变化且具有一定差异,这表明徐州地区大气污染以本地排放细颗粒物为主,且随排放源不同具有小尺度区域差异。结合图4(c)、(d)可知,徐州污染仍以散射性细颗粒物为主(AOD 小于0.5,SSA 为0.99),是典型的本地背景污染。3 月29 日00:00,徐州地区沙尘过境,PM 浓度上升;06:00 左右,PM10达到最高值1000µg·m−3,AOD 数值最高为1.2(第一次PM10为1500µg·m−3、AOD为1.8),沙尘强度低于第一次。经过一天时间的消退后,在30 日凌晨PM10和PM2.5又进入新一轮小幅度增长期,分别增长到500µg·m−3和100µg·m−3。本次过程中,Lidar 在沙尘过境和回流时均观测到清晰的分层现象,沙尘过境层高在2∼4 km,主峰时退偏比大于0.3,而回流时高空气溶胶退偏比在0.1∼0.25 之间,表明回流的沙尘颗粒物经过进一步沉降,已经损失了更多的大颗粒物,导致退偏比降低。同时,从30 日气溶胶地面层可以发现,沙尘在地面层已经发生沉降(颜色变化,退偏比数值降低),但是由于回流影响,地面层又混入新的沙尘,造成二次污染。之后在本地基本沉降完成,本地污染物逐步占主导地位。

沙尘过境时, 地基CE318 获取到AOD 连续观测数据变化趋势与PM2.5和PM10下降趋势一致, 表明AOD 与PM 具有紧密联系。同时,基于CE318 反演的SSA 参数表征气溶胶吸收和散射能力,非沙尘天气时,各波段SSA 较为相近,且在0.99 左右,表明本地污染以散射性气溶胶粒子为主;在沙尘天气时,在440 nm 波段,SSA 下降幅度较675 nm 和870 nm 波段更大,这表明本次沙尘中某些粒子成分(如含铁、碳元素粒子)对440 nm 波长光谱具有吸收性。

进一步联合ERA5 气象数据进行分析, 结果如图4 (g)-(i) 所示。沙尘过境前, PM2.5与PM10比值在0.4∼0.6 之间,背景AOD 在0.5 以上;沙尘过境时,PM 比值急剧下降至0.1,之后缓慢回升至0.2 左右,并在29–31 日后续沙尘回流作用下浓度和比值基本保持不变。

图4 第二次沙尘过境时徐州地区多参数时间序列图。(a)消光系数垂直分布;(b)退偏比垂直分布;(c)AOD;(d)SSA;(e)PM10;(f)PM2.5;(g)相对湿度、PM2.5 与PM10 比值变化趋势;(h)地表温度、PM2.5 和PM10 变化趋势;(i)多波段AOD、PM2.5 和PM10 变化趋势Fig.4 Time-series variation for multi parameters in Xuzhou during the second dust period. (a)Vertical distribution of extinction coefficient;(b)vertical distribution of depolarization ratio;(c)AOD;(d)SSA;(e)PM10;(f)PM2.5;(g)the change trend of relative humidity and the ratio of PM2.5 and PM10;(h)surface temperature,PM2.5 and PM10;(i)AOD at different spectrums and the change trend of PM2.5 and PM10

此外,通过温湿度分析表明,沙尘过境前相对湿度稳定在80%左右,南下冷空气作用下,相对湿度在沙尘过境前后有20%∼40%的显著降幅,之后在西南暖空气气流作用下回升至60%(两次沙尘过程变化趋势一致)。而温度变化趋势仍然具有昼夜规律性,主要受太阳光照影响。

4 结 论

2021 年春季连续两次沙尘事件属同源沙尘, 均来源于蒙古国中南部, 呈现典型的“本地污染-沙尘输入-沙尘沉降-本地污染”的特征。卫星遥感表明中国东部部分地区AOD 突破2.0,然而受限于云和观测条件,时空连续性较差,需要地基数据作为补充。

本地地基观测数据表明上下游两个城市背景气溶胶性质存在较大不同,徐州地区气溶胶以散射性颗粒物为主,沙尘来临时混合气溶胶吸收性变强,SSA 数值相应降低;而北京地区复杂的SSA 变化趋势表明该地区气溶胶中颗粒物成分复杂多变,有无沙尘时气溶胶SSA 变化特征不显著。下游城市徐州的观测资料表明3 月份徐州本地背景气溶胶以散射性颗粒物为主,沙尘过境时PM10可达到沙尘来临前的20 倍,PM2.5也同比上升,表明气溶胶粒径谱区间范围较大。由于沙尘颗粒物对太阳光谱具有吸收性,全波段SSA 相应下降,然而在440 nm 波段的SSA 下降幅度高于675 nm 和870 nm 波段,这表明本次沙尘中的部分颗粒物成分对440 nm 光谱吸收性较强,可能是蒙古沙尘源含有铁、碳颗粒物成分,还需要对具体成分进一步分析。

此外,借助Lidar 主动式观测资料,可以反映沙尘的垂直分布信息。到达徐州的两次沙尘均在2∼4 km高空层,退偏比大于0.25;沙尘从高空发生沉降落入近地面层,与本地背景气溶胶颗粒物发生混合,使得近地面气溶胶退偏比数值急剧升高。然而随着沙尘离开徐州地区,地面气溶胶退偏比在24 h 左右就可以恢复到小于0.1 的常态中,表明近地面沙尘颗粒物消散较快,不会长时间悬浮在近地面大气中造成持续性污染。

致谢: 本实验的数据主要来自AERONET,SONET 以及中国矿业大学环境与测绘学院能源与环境遥感大数据中心,感谢数据生产和仪器维护团队人员。